[发明专利]基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法

权利要求书

1.一种基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法，其特征在于，包括：

步骤一：判定泥石流流域的孕灾环境，建立三维泥石流流域模型；计算形成泥石流的松散土体临界集聚量和泥石流暴发时的临界能量；

步骤二：基于泥石流孕育、发生、运动堆积过程动力学模型，通过各模型边界条件的相互耦合，构建由孕育、发生、泥石流运动堆积整个物理过程的动力学模型及其方程；

步骤三：将泥石流运动力学方程进行离散化，计算设计频率降雨条件或场次降雨条件下，松散土体临界集聚量及形成泥石流的规模，作为数值模拟的初始条件；以三维泥石流流域作为数值模拟的边界条件，开展泥石流运动过程数值模拟，得到流域空间泥石流特征参量，所述流域空间泥石流特征参量包括：流深、流速、规模、动能、势能、耗散能、泛滥堆积范围；

步骤四：以步骤一计算的泥石流临界能量作为能谱的初始值；以泥石流运动过程中的动能、势能、耗散能分析泥石流运动过程中能量的分布，绘制泥石流流域能谱图；根据能量分布特征进行泥石流能谱分区，也即U区、M区和D区；根据各个分区承担的泥石流防治功能的不同，提出基于动力过程和能谱分析的泥石流综合减灾方法；

步骤一中的泥石流暴发时的临界能量和能量聚集量的计算方法包括：

泥石流暴发时的能量为松散土体的势能和水体的能量；其中，水体的能量通过下式积分计算：

式中，e为雨滴的能量，m为雨滴的质量，v为雨滴的最终速度；f(e)为雨滴动能的分布密度，其中，A₁表示雨滴尺度参数，B₁为雨滴形状参数；

形成泥石流的松散土体临界集聚量计算模型包括第一表达式、第二表达式：

第一表达式：

V＝(b+c)(0.0548Q_c-0.4378) (2)

式中，V为松散物质的积聚量；Q_c为泥石流流量，由同等降雨指标条件下的洪水流量推算求出；b为沟床纵坡系数；c为岩性系数；

第二表达式：

式中，V为松散物质的积聚量；g(x,y)为松散固体物质的空间分布表达式；x,y分别为地面的纵横坐标；a_i为第i个计算单元面积，i＝1,2,3,…,n；n为流域计算单元的数目；h_i为第i个计算单元的起动土体厚度，目前采用无限边坡模型和可移动固体物质判别模型进行计算：

无限边坡模型中，起动土体厚度h为：

式中，c为粘聚力；为内摩擦角；ψ＝u_a-u_w为土体基质吸力，其中，u_a为大气压力；u_w为水应力；β为坡度；γ_t为边坡土体容重；

可移动固体物质判别模型中的起动土体厚度h的表达式：

式中，γ_w为水容重；θ为表面坡体坡度；γ_sat为坡面碎屑颗粒土体饱和容重；γ_s为土体颗粒容重；n为孔隙度；d₅₀坡体物质的特征粒径；c、为分别为坡面土体的粘聚力和内摩擦角；H为表面径流深度；

通过式(4)和式(5)计算单元体起动土层的厚度，再通过式(3)计算松散土体的积聚量；在松散土体积聚量计算的基础上，计算松散土体的势能：

式中，H代表松散物质与坡底的相对高程；m表示重量；g为重力加速度；γ为松散土体的容重；V为松散物质的积聚量；

泥石流暴发时的临界能量通过降雨所输入的动能和松散土体的相对势能所确定：

E₀＝E₁+E₂ (7)

式中，E₁为强降雨阶段降雨所输入的动能，通过式(1)计算；E₂为参与泥石流运动的松散土体的势能，通过式(6)计算；

步骤四中，泥石流体的启动是其运动能量的开始，初始总能量通过式(1)、(6)和(7)计算；运动过程中势能和动能转化，并通过能量耗散，最终停止运动；整个过程的能量表达如下所示：

E₁+E₂-E₃-E₄-E₅＝0 (8)

式中，E₁和E₂同上；E₃为泥石流运动过程中摩擦能量消耗量；E₄为泥石流运动过程中颗粒碰撞能量消耗量；E₅为泥石流运动过程中能量粘滞消耗量；以数值模拟的泥石流流速、流深、容重、淹没范围和运动距离为基础，计算泥石流运动过程中的泥石流动能、势能、耗散能，得到泥石流运动过程的能量分布和能谱图；

步骤四中的泥石流能谱分区按照泥石流能量分布特征进行划分：流体势能降低、动能积聚增加的能谱区域定义为动能聚涨区，称为U区，所述动能聚涨区的特点为流体势能大于动能，势能持续转化为动能和耗散能；泥石流运动过程中由于能量转化和耗散，势能继续降低，动能出现极大值的区域定义为动能突变区称为M区，所述动能突变区的特点为动能大于势能，动能增加并出现极大值，随后动能呈现突变减小的趋势；能量继续耗散，动能和势能均急剧下降的区域定义为动能衰减区域，称为D区，所述动能衰减区域的特征为动能和势能均急剧减小，直至耗散为零。

2.根据权利要求1所述的基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法，其特征在于，步骤四，根据泥石流能谱分区U、M、D区承担的泥石流防治功能的不同，提出基于泥石流动力过程和能谱分析的泥石流的防灾减灾综合技术方案：U区：泥石流启动的临界能量要低，通过调整启动的松散物质的势能即调整松散土体的临界积聚量V，达到降低泥石流起动临界能量的目的；综合减灾措施为：通过采取治坡、治沟、护坡措施，以及行政管理和法令措施，对流域实施综合治理，控制水土、恢复生态，达到降低松散土体的积聚量和泥石流起动临界能量的目的；对U区重要的土体积聚量V的来源，还需要采取监测措施，严密监视其位移、运动和发展过程，进行预警预报；

M区：M区势能转化为动能，动能达到最大值，是泥石流集中下泄的必经区域，也是泥石流冲击力最大的区域，该区通过拦挡、调节和排导工程，达到调节泥石流的动能和冲击力的目的，同时调整泥石流路径使泥石流顺利通过或到达指定的地区，达到保护居民地受灾对象的功能；或该区通过增加泥石流路径的粗造度、延长流通路径的方法，达到增加泥石流运动耗能能和降低泥石流动能和冲击的目的；同时，根据数值模拟结果和保护对象属性，选择适宜的监测断面，对泥石流流速、流深运动过程参数进行严密监测，进行泥石流预警；

D区：为耗散过程，势能和动能转化为热能，泥石流最终停滞下来，泥石流冲击能力减弱，以淤埋为主；D区是人类活动场所聚集区，因此D区承担预防和减轻泥石流危害的功能；通过泥石流停淤场、对危险区重要对象采取保护措施工程措施，监测预警非工程措施，使泥石流在泛滥堆积过程中不致引起危害，将泥石流的危害降至最低；D区首先对设计频率下泥石流灾害进行数值模拟，然后对泛滥堆积范围内的建筑物进行摸排，查明其结构、属性、分布；在此基础上，进行建筑物易损度和能谱的全面分析，进行泥石流淤埋风险图的绘制，有效指导防灾减灾和灾害的应急处置。